電子系統EDA集成開發環境框架結構

摘要：EDA集成開發環境是電子系統開發必備的工具與手段。本文根據目前的EDA工具軟體及其套件結構和電子系統的開發需要，提出三種不同類型的典型EDA集成開發環境框架結構——板級、晶元級和綜合型電子系統EDA集成開發環境框架結構，並以圖示的方式進行描述。

關鍵詞：電子系統 電子設計自動化（EDA） 集成開發環境（IDE） SoC 框架結構

引 言

　　電子系統EDA集成開發環境IDE(Integrated Development Environment)是指根據電子系統設計流程，將設計流程中各個階段所需要的不同的EDA工具軟體集成在一個硬體平台上，進行項目設計開發的軟硬工作環境。在此環境中，項目的設計數據通過文件方式在各個EDA工具之間流轉，就像工廠里生產流水線上的產品流動一樣，直到產品生產全過程結束。

　　由於各個EDA工具開發商在不同的設計環節有不同的專長，其EDA工具也有不同的特色。有的EDA工具行為描述能力強，不僅具有演演算法級和寄存器傳輸級行為設計描述能力，而且還具有系統級行為設計描述能力；有的EDA工具的邏輯綜合效率高，佔用資源少；有的EDA工具時序模擬較為精確，設計的項目能夠工作於較高的頻率；有的EDA工具界面友好，容易使用。選擇優秀的EDA工具，構成超級的電子系統EDA集成開發環境是項目開發工程師首要的任務之一。通常，選擇優秀的EDA工具有如下幾個約束條件：①EDA工具的使用授許可權制；②設計語言、設計數據、設計格式的兼容性；③EDA工具與計算機及其操作系統的兼容性問題；④設計項目實際需要的限制。

　　不同的設計對象，其EDA集成開發環境架構有很大的差別。例如，在經典的板級電子系統設計中，通常是將許多專用集成電路(ASIC)晶元、通用的門電路晶元設計在一塊印刷電路板(PCB)上來完成整個電子系統設計，其設計的基本素材的集成電路晶元；在現代的晶元級電子系統設計中，通常是將許多的軟、硬知識產權(IP)核或電路模塊設計在一個超在規模集成電路晶元上來完成整個電子系統設計，其設計的基本素材是可復用的IP核或電路模塊。隨著集成電路技術的發展，電子系統設計開始逐漸從經典的板級系統設計轉化為現代的晶元級系統設計，因此電子系統設計工程師的開發工作也逐漸從板上電子系統設計轉向片上系統(SoC)設計，設計的基本構件也從通用的IC轉為復用的IP。

　　本文根據目前的EDA工具軟體或套件的結構，從電子系統的設計開發需要出發，把電子系統EDA集成開發環境分為三種類型：板級電子系統EDA集成開發環境、晶元級電子系統EDA集成開發環境和綜合型電子系統EDA集成開發環境，並且提出此三種類型的EDA集成開發環境的框架結構，以便電子系統設計者從總體上了解和掌握電子系統集成開發環境使用方法和構造方法。

1 板級電子系統EDA集成開發環境

　　典型的板級電子系統EDA集成開發環境如圖1所示。此種類型的集成開發環境通常是由板級電子系統的硬體系統集成設計環境(即PCB集成設計環境)和軟體系統集成設計環境兩個部分構成的。

　　任何一種板級電子系統都是由硬體和軟體兩個子系統組成的，因此一個完整的板級電子系統集成開發環境，除了用於硬體系統開發的EDA集成設計環境外，還應當包括軟體實時模擬開發調試環境。對於低端的微控制器應用系統，通常是由硬體模擬器及其配套模擬軟體組成的(見圖1中部)；對於高端32位嵌入式處理器應用系統，通常是一種基於嵌入式實時操作系統RTOS(Real-Time Operating System)平台(見圖1底部)。

2 晶元級電子系統EDA集成開發環境

　　晶元級電子系統EDA集成開發環境，也是一種集成電路(IC)EDA集成開發環境。在集成電路設計中，不同的設計方法和設計流程需要不同的EDA集成開發環境。根據設計對象的不同，晶元級電子系統EDA集成開發環境可分為專用集成電路(ASIC)集成設計環境和片上系統(SoC)集成設計環境。這裡需特別指出的是SoC和ASIC概念的區別。從電子線路的角度理解可以認為：ASIC是一種具有某種特定功能的大規模集成電路晶元，如VGA圖像處理晶元、PCI介面晶元、視頻放大晶元等；而SoC是一種集成了微處理器、存儲器、外圍電路和軟體系統程序的自成系統的超大規模集成電路晶元。

(1)ASIC集成設計環境

　　典型的ASIC集成設計環境如圖2所示。由圖2可以得出，在此集成設計環境的設計流程中，可以生成五種不同類型的產品：①經過功能驗證后的軟IP核；②經邏輯綜合驗證后的固IP核，③可編程的專用集成電路(ASIC)器件；④由ASIC版圖生成的硬IP核；⑤由代工廠生產的ASIC晶元。

(2)SoC集成設計環境

　　典型的SoC集成設計環境如圖3所示。此集成環境是一種典型的軟硬協同設計集成環境(或平台)。在此集成設計環境的設計流程中，也可以生成五種不同類型的產品：①經過功能驗證后的軟IP核；②經邏輯綜合驗證后的固IP核，③可編程的片上系統(SoPC)器件；④由SoC版圖生成的硬IP核；⑤由代工廠生產的SoC晶元。

　　片上系統(SoC)設計所需要的EDA工具，若從硬體設計角度看，在設計流程的前端設計與ASIC設計差別不大；但是，從整個晶元設計角度出發，這兩種類型的晶元設計有較大區別。這是因為在SoC設計中，一般都含有微處理器核，所設計的系統級晶元都必須具備有設備驅動程序與操作系統或嵌入式實時操作系統介面，並且具備有應用程序完成數字計算、信號處理變換、控制決策等功能。因此，在設計的前期，要軟、硬體協同設計，確定哪些功能是由硬體完成的，哪些軟體功能是由軟體完成的，需要進行一個適當劃分。在設計的中後期，要進行軟硬體協同驗證，即把軟硬體設計放到一個虛擬的集成環境中進行模擬驗證，以便驗證硬體的性能是否達到設計目標，軟體功能是否實現設計要求。

3 綜合型電子系統EDA集成開發環境

　　典型的綜合型電子系統EDA集成開發環境如圖4所示，通常稱其為整機型或混合型電子系統EDA集成開發環境。這種類型集成開發環境綜合集成了晶元級和板級電子系統設計的EDA工具，可以完成如下三個方面工作：印刷電路板(PCB)設計、專用集成電路(ASIC)晶元設計和片上系統(SoC)晶元設計。在此集成開發環境中，PCB設計平台完成經典的板級電子系統設計工作，ASIC設計平台完成專用集成電路晶元設計工作，SoC設計平台完成現代晶元級電子系統設計工作，而PLD設計平台完成可編程型的ASIC和SoC晶元(包括CPLD/FPGA、SOPC等晶元)的設計工作。